(57)【要約】【課題】  高温下においても軸受寸法が安定しており且つ焼付きが生じにくい多点接触玉軸受を提供する。【解決手段】  ４点接触玉軸受の内輪１，外輪２，及び転動体３は、炭素を０．８質量％以上１．２質量％以下、ケイ素を０．７質量％以上１．２質量％以下、マンガンを０．１質量％以上２質量％以下、クロムを１質量％以上２．５質量％以下含有する鋼で構成されている。  内輪１及び外輪２は、焼入れ，焼戻し，サブゼロ処理が施されており、残留オーステナイト量は８体積％以下である。また、転動体３は、表面から深さ０．２ｍｍまでの部分である表面層の残留オーステナイト量が４体積％以下である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な回転輪と、前記回転輪を回転可能に支持する固定輪と、前記回転輪が有する軌道面と前記固定輪が有する軌道面との間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備え、前記両軌道面と前記転動体とが合計で３点又は４点で接触する多点接触玉軸受において、
前記回転輪及び前記固定輪は、残留オーステナイト量が８体積％以下である鋼で構成され、前記転動体は、表面から深さ０．２ｍｍまでの部分である表面層の残留オーステナイト量が４体積％以下であることを特徴とする多点接触玉軸受。
【請求項２】
前記回転輪及び前記固定輪はサブゼロ処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の多点接触玉軸受。
【請求項３】
前記回転輪及び前記固定輪は、２３０℃以上３００℃以下の温度での焼戻し処理が施されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多点接触玉軸受。
【請求項４】
前記回転輪及び前記固定輪は、炭素を０．８質量％以上１．２質量％以下、ケイ素を０．７質量％以上１．２質量％以下、マンガンを０．１質量％以上２質量％以下、クロムを１質量％以上２．５質量％以下含有する鋼で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の多点接触玉軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３点接触玉軸受及び４点接触玉軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁クラッチ用の転がり軸受に使用される材料としては、日本工業規格（ＪＩＳ）に規定された高炭素クロム軸受鋼、特にＳＵＪ２が一般的に用いられている。これらの鋼には焼入れ，焼戻し処理が施されて、表面硬さＨＲＣ（ロックウェル硬さ) が約６２、残留オーステナイト量が約１０体積％とされて使用される。
カーエアコンディショナのコンプレッサは、図３に示すように、エンジンの動力がクランクプーリ及びベルト（共に図示せず）を介して電磁クラッチプーリ１０１に伝達される。伝達されたエンジンの動力は、電磁クラッチプーリ１０１の端部に形成された摩擦板１０２を電磁コイル１０３の電磁力で吸着させることにより、コンプレッサ１０４に伝達され、該コンプレッサ１０４が駆動される。また、コンプレッサ１０４の駆動軸を覆うようにハウジングＨから突設された筒部１０５には転がり軸受１０８の内輪１０６が固定され、この転がり軸受１０８の外輪１０７が電磁クラッチプーリ１０１に圧入されることにより、電磁クラッチプーリ１０１が回転可能に支持されている。
【０００３】
この転がり軸受１０８は電磁クラッチプーリ１０１を作動させるベルトにより張力がかかり、この張力により転がり軸受１０８にラジアル荷重が負荷され、電磁クラッチ作動時にはさらにスラスト荷重が加わる。また、エンジン周りの配置等の制限により電磁クラッチプーリ１０１と転がり軸受１０８の相互の軸方向中心位置がずれており、このずれにより転がり軸受１０８にはモーメント荷重が負荷される。
【０００４】
そのため、転がり軸受１０８に傾きが生じ、この傾きが大きい場合には電磁コイル１０３の電磁力による吸着力が弱くなる。その結果、電磁クラッチプーリ１０１と摩擦板１０２との結合ができないか、又は、摩擦板１０２との結合が弱くなって滑りが発生するため、エンジンの動力をコンプレッサ１０４に伝達できず、発熱の原因となる。
このような事情から、従来、電磁クラッチ用の転がり軸受には、モーメント荷重を受けた際の軸受の傾きを小さくするために、図３のように複列アンギュラ玉軸受が使用されるか、又は、２個の単列ラジアル玉軸受が組み合わされて使用される。ただし、小型化，コストダウンの要求が強いため、ラジアル荷重だけでなくスラスト荷重も受けられる３点接触又は４点接触の単列深溝玉軸受の使用が検討されている。
【０００５】
このような多点接触単列深溝玉軸受の例としては、特許文献１に記載のものがあげられる。この軸受は、固定輪の軌道面の溝曲率半径を玉径の５２〜５３．５％とするとともに、回転輪の軌道面の溝曲率半径を玉径の５３. ５〜５６％とし、且つ、玉と固定輪及び回転輪との接触角を２０〜３０゜の範囲に設定してあるので、モーメント剛性の低下を招くことがなく、玉のスピンに起因する発熱や玉の肩乗り上げの問題が回避される。
【０００６】
また、別の例として、特許文献２に記載のものがあげられる。この軸受は、固定輪及び回転輪の軌道面を中心に対して対称とした４点接触の単列玉軸受である。そして、軌道面の溝曲率半径を玉径の５１．５〜５５％とすることにより、玉と軌道面との間に発生する接触面圧を小さくし、これにより滑りによる発熱を低減するとともに、玉の軸回りの公転と、軸とは回転方向が異なる自転（スピン) とにより生じる滑りの発生を極小として焼付きを防止している。
【特許文献１】特開２００１−３０４２７３号公報
【特許文献２】特開平１１−３３６７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の軸受は、高温化に対する検討が十分なされていないため、今後使用温度が高温化するコンプレッサに適用した場合でも、前述のような問題の回避が可能かどうかは不明である。
また、特許文献２に記載の軸受は、今後のコンプレッサの小型化による雰囲気温度の上昇により、軸受温度が１５０℃以上となる場合では、固定輪，回転輪，及び転動体の残留オーステナイトの変化に伴う経時変化によって隙間詰まりを起こし、焼付きが生じるおそれがある。
そこで、本発明は上記のような従来の多点接触玉軸受が有する問題点を解決し、多点接触玉軸受に特有の転動体の滑りによる金属接触によって発熱が生じるような環境下で使用されても、軸受寸法が安定しており且つ焼付きが生じにくい多点接触玉軸受を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の多点接触玉軸受は、回転可能な回転輪と、前記回転輪を回転可能に支持する固定輪と、前記回転輪が有する軌道面と前記固定輪が有する軌道面との間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備え、前記両軌道面と前記転動体とが合計で３点又は４点で接触する多点接触玉軸受において、前記回転輪及び前記固定輪は、残留オーステナイト量が８体積％以下である鋼で構成され、前記転動体は、表面から深さ０．２ｍｍまでの部分である表面層の残留オーステナイト量が４体積％以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る請求項２の多点接触玉軸受は、請求項１に記載の多点接触玉軸受において、前記回転輪及び前記固定輪はサブゼロ処理が施されていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の多点接触玉軸受は、請求項１又は請求項２に記載の多点接触玉軸受において、前記回転輪及び前記固定輪は、２３０℃以上３００℃以下の温度での焼戻し処理が施されていることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る請求項４の多点接触玉軸受は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の多点接触玉軸受において、前記回転輪及び前記固定輪は、炭素を０．８質量％以上１．２質量％以下、ケイ素を０．７質量％以上１．２質量％以下、マンガンを０．１質量％以上２質量％以下、クロムを１質量％以上２．５質量％以下含有する鋼で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明者は、多点接触玉軸受の一例として、電磁クラッチ用の３点接触玉軸受及び４点接触玉軸受を選択し、その耐久性試験における試験中断品及び試験終了品について詳細に調査を行った。その結果、耐久性試験における試験中断品は焼付きを起こしており、この焼付きを起こした軸受に関してさらに詳細に調査を行ったところ、その固定輪，回転輪，及び転動体の残留オーステナイト量は全て０〜２体積％であった。なお、耐久性試験前の残留オーステナイト量は、固定輪及び回転輪が８〜１２体積％で、転動体が５〜８体積％であった。
【００１２】
この結果から、本発明者は、電磁クラッチ用の３点接触玉軸受及び４点接触玉軸受の焼付きによる短寿命の原因は、転動体と固定輪及び回転輪とが３点又は４点で金属接触するので、通常の構造の軸受と比較して多く発熱し、これによりグリースの劣化が生じ焼き付きに至るためか、又は、発熱により寸法が著しく変化し、隙間の減少により焼き付きに至るためであることを見出した。
【００１３】
そして、焼き付きの原因は、転動体と固定輪及び回転輪とが３点又は４点で金属接触することにより軸受の温度が上昇することであるので、軸受の早期不具合の対策手段としては、軸受の材料として耐熱用鋼を用い、高温時の寸法安定性の向上及び硬さの低下の抑制が唯一の手段であるという結論を得た。
なお、電磁クラッチに軽量化が要求される場合には樹脂製プーリが多用されると考えられるが、樹脂製プーリは金属製プーリと比較して放熱性が悪いので、前述のような間題はさらに多発する可能性がある。よって、本発明は、前述のような間題を解決する手段として有効であると考えられる。
【００１４】
以下に、本発明の多点接触玉軸受における各数値（残留オーステナイト量、焼戻し温度、及び鋼中の合金元素の含有量）の臨界的意義について説明する。
〔残留オーステナイト量について〕
３点接触玉軸受及び４点接触玉軸受に関しては、転動体の滑りが生じやすく、それにより金属接触が起こるので、通常の構造の軸受と比較して多く発熱する。その結果、固定輪，回転輪，及び転動体において残留オーステナイトの分解に伴う寸法変化が生じるため、隙間詰まりを起こし焼付きに至る。
このような不都合が生じることを抑制するためには、固定輪及び回転輪の初期の残留オーステナイト量は８体積％以下とする必要があり、４体積％以下とすることがより好ましい。また、転動体に関しては、固定輪及び回転輪と比較して温度上昇が顕著であるため、４体積％以下とする必要がある。
【００１５】
〔焼戻し温度について〕
回転輪及び固定輪の焼戻し温度は、２３０℃以上３００℃以下であることが好ましい。２３０℃未満であると、サブゼロ処理を施したとしても残留オーステナイト量を８体積％以下にすることが困難となり、３００℃超過であると、硬さの低下を招き転がり疲れ寿命が低下するという問題がある。
【００１６】
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、転がり軸受として要求される硬さを得るために０．８質量％以上必要である。一方、炭素の含有量が１．２質量％を超えると、製鋼時に粗大な共晶炭化物を形成しやすくなって、転がり寿命の低下を引き起こす場合がある。清浄度を向上させ、共晶炭化物の形成を抑制するためには、炭素の含有量は０．８質量％以上１．２質量％以下とすることが好ましい。
【００１７】
〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、製鋼時の脱酸剤として作用し、クロム（Ｃｒ）やマンガン（Ｍｎ）と同様に焼入れ性を向上させるとともに、基地のマルテンサイトを強化するので、軸受寿命を長くするために有効な元素である。また、焼戻し軟化抵抗性を高め、残留オーステナイトの分解を遅延させる元素である。ただし、多量に添加すると、被削性，鍛造性，冷間加工性，及び浸炭処理性を低下させる場合がある。以上の理由から、Ｓｉは０．７質量％以上１．２質量％以下とすることが好ましく、０．８質量％以上１．１質量％以下とすることがより好ましい。
【００１８】
〔マンガンの含有量について〕
Ｍｎは製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、０．１質量％以上添加することが好ましい。また、Ｃｒと同様に基地に固溶してＭｓ点を降下させ多量の残留オーステナイトを確保したり、焼入性を高める作用がある。ただし、多量に添加しすぎると、冷間加工性や被削性を低下させるだけでなく、マルテンサイト変態開始温度を著しく低下させて、浸炭処理後に多量の残留オーステナイトが残存し十分な硬さが得られなくなる場合がある。
以上の理由から、Ｍｎは０．１質量％以上２質量％以下とすることが好ましく、０．２質量％以上１質量％以下とすることがより好ましい。
【００１９】
〔クロムの含有量について〕
Ｃｒは、基地に固溶して焼入れ性，焼戻し軟化抵抗性，耐食性，及び疲労寿命を高める作用がある。また、炭素や窒素等の侵入型固溶元素を実質的に動き難くして基地組織を安定化し、水素侵入時の寿命低下を大幅に抑制する元素でもある。さらに、鋼中に微細に分布する炭化物がより高硬度の（Ｆｅ，Ｃｒ）3 Ｃや（Ｆｅ，Ｃｒ）7 Ｃ3 等の炭化物からなるため、耐摩耗性を高める作用もある。ただし、Ｃｒ含有量が多すぎると、冷間加工性，被削性の低下や熱処理温度の増加に伴い著しいコストアップを招いたり、粗大な共晶炭化物が生成して疲労寿命や強度を著しく損なう場合がある。
以上の理由から、Ｃｒは１質量％以上２．５質量％以下とすることが好ましく、１．２質量％以上１．８質量％以下とすることがより好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の多点接触玉軸受は、高温下においても軸受寸法が安定しており且つ焼付きが生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る多点接触玉軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
耐久性試験を行うために、材質，熱処理条件等が異なる７種（実施例１〜５及び比較例１，２）の４点接触玉軸受（内径３５ｍｍ，外径５０ｍｍ，幅１２ｍｍ）を用意した。この４点接触玉軸受は、図１の部分断面図に示すように、内輪１と、外輪２と、内輪１が有する軌道面１ａ，１ｂと外輪２が有する軌道面２ａ，２ｂとの間に転動自在に配置された複数の転動体（玉）３と、軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ間に転動体３を保持する保持器４と、内輪１及び外輪２の間の隙間の開口を覆うシール５，５と、で構成されている。
【００２２】
内輪１及び外輪２は、表１に示すような合金元素を含有し残部は鉄及び不可避の不純物である鋼種Ａ又は鋼種Ｂで構成されており、表２に示すような条件の熱処理が施されている。すなわち、８３０〜８８０℃で焼入れ処理が施され、油冷却後に１６０〜２７０℃で焼戻し処理が施されている。実施例１，５については、さらに−８０℃でサブゼロ処理が施されている。このような熱処理により鋼の残留オーステナイト量が減少し、内輪１及び外輪２の残留オーステナイト量は、表２に示すように０〜１０体積％となっている。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
また、転動体３は、その表面から深さ０．２ｍｍまでの部分である表面層の残留オーステナイト量が、表２に示すように０〜１０体積％となっている。なお、表２において下線を付した数値は、本発明における好適な範囲から外れていることを意味している。
さらに、内輪１，外輪２，及び転動体３の表面硬さはＨＲＣ５９〜６４、転動体３の表面粗さは０．００３〜０．０１０μｍＲａ、内輪１及び外輪２の表面粗さは０．０１５〜０．０２０μｍＲａとした。内輪１，外輪２，及び転動体３の表面粗さが前記上限値よりも大きいと音響性能が悪化し、前記下限値よりも小さいと加工が高コストとなる。また、軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの溝の曲率半径Ｒ0 は、内輪１，外輪２ともに転動体３の直径Ｄａの５０．５〜５６．５％とした。曲率半径Ｒ0 が前記上限値よりも大きいと面圧が高くなって剥離が生じやすくなり、前記下限値よりも小さいと滑りが大きくなって発熱しやすくなる。
【００２６】
ここで、実施例１〜５及び比較例１，２の４点接触玉軸受について、それぞれ説明する。まず、実施例１は、内輪，外輪，及び転動体を軸受鋼２種（鋼種Ａ）で作製したものである。内輪及び外輪の熱処理は、通常の熱処理（８４０℃での焼入れ処理及び１６０℃での焼戻し処理）とサブゼロ処理であり、内輪及び外輪の初期の残留オーステナイト量は４体積％である。高温焼戻しは施さずサブゼロ処理のみを施してあるので、硬さをより高くすることができ耐摩耗性が向上する。転動体に関しては、１９０〜２１０℃で焼戻し処理を行い、仕上げ過程において通常よりも強い応力を加える強加工を行い、表面から深さ０．２ｍｍまでの部分である表面層の残留オーステナイト量を、通常の５〜８体積％よりも低い４体積％とした。
【００２７】
次に、実施例２は、内輪，外輪，及び転動体を実施例１と同じく軸受鋼２種で作製したものである。内輪及び外輪の熱処理は、焼入れ温度が８３０℃で、焼戻し温度が２４０℃である。そのため、初期の残留オーステナイト量は０体積％である。転動体に関しては、実施例１と同様である。
実施例３は、内輪，外輪，及び転動体を実施例１と同じく軸受鋼２種で作製したものである。内輪及び外輪の熱処理は、焼入れ温度が８８０℃で、焼戻し温度が２４０℃である。そのため、初期の残留オーステナイト量は８体積％である。転動体に関しては、実施例１と比較して高温（２１０〜２４０℃）で焼戻しを行ったため、表面から深さ０．２ｍｍまでの部分である表面層の残留オーステナイト量は２体積％である。
【００２８】
実施例４は、内輪及び外輪を、軸受鋼２種と比較してＳｉの含有量が高い鋼（鋼種Ｂ）で作製し、転動体を軸受鋼２種で作製したものである。内輪及び外輪の熱処理は、焼入れ温度が８６０℃で、焼戻し温度が２７０℃である。そのため、初期の残留オーステナイトは２体積％である。また、転動体に関しては、実施例３よりもさらに高温（２３０〜２５０℃）で焼戻しを行ったため、表面から深さ０．２ｍｍまでの部分である表面層の残留オーステナイト量は０体積％である。
【００２９】
実施例５は、内輪及び外輪を実施例４と同様の高Ｓｉ鋼で作製し、転動体を軸受鋼２種で作製したものである。内輪及び外輪の熱処理は、焼入れ温度が８４０℃、焼戻し温度が２７０℃であり、サブゼロ処理を施してある。そのため、初期の残留オーステナイトは０体積％である。また、転動体に関しては、実施例３と同様である。
比較例１は、内輪，外輪，及び転動体を軸受鋼２種で作製したものである。熱処理関しては、内輪，外輪，転動体ともに通常の仕様である。
【００３０】
比較例２は、内輪，外輪，及び転動体を比較例１と同様に軸受鋼２種で作製したものである。内輪及び外輪の熱処理は、焼入れ温度が８３０℃、焼戻し温度が２４０℃である。そのため、内輪及び外輪の初期の残留オーステナイト量は０体積％である。転動体の熱処理は、焼戻し温度を通常より低い温度としたため、表面から深さ０．２ｍｍまでの部分である表面層の残留オーステナイトは１０体積％である。
【００３１】
これらの４点接触玉軸受を、背景技術の項において説明したカーエアコンディショナのコンプレッサの電磁クラッチに組み込んで、下記のような条件で回転させることにより耐久性試験を行った。なお、この試験においては、内輪が固定輪、外輪が回転輪となる。
回転速度：１０００〜１５０００ｍｉｎ-1
軸受隙間：１０〜１５μｍ
荷重条件：Ｐ（負荷荷重）／Ｃ（動定格荷重）＝０．１５
試験温度：１５０℃
グリース：防錆成分が強化されたウレア系のグリース
【００３２】
軸受隙間が上記上限値よりも大きいと十分なスラスト荷重を受けにくくなり、上記下限値よりも小さいと面圧が大きくなる。
また、この４点接触玉軸受の計算寿命は１２８０時間であるので、試験打ち切り時間を１５００時間とした。そして、振動値が初期の振動の５倍に上昇したら試験を中断し、軌道面の焼付きの有無を確認した。試験は、１種の軸受について各々１０個行ってＬ10寿命を求めたが、試験打ち切り時間までに１０個全ての軸受について焼付きが生じなかった場合は、Ｌ10寿命は１５００時間とした。耐久性試験の結果を、表２にまとめて示す。
【００３３】
実施例１〜３に関しては、回転輪，固定輪，及び転動体の初期の残留オーステナイト量が低いため、比較例１，２と比べて隙間詰まりを起こしにくく、１２００時間以上という優れたＬ10寿命を有していた。ただし、実施例３は、回転輪及び固定輪の初期の残留オーステナイト量が８体積％であり、実施例１，２と比べて高いため、若干ではあるが実施例１，２よりもＬ10寿命が短かった。このことから、回転輪及び固定輪の残留オーステナイト量は、４体積％以下とすることがより好ましいと考えられる。
【００３４】
実施例４，５に関しては、回転輪，固定輪，及び転動体の初期の残留オーステナイト量が低く、且つ、軸受鋼２種と比べて残留オーステナイトの分解が遅い鋼を用いているため、隙間詰まりを起こさなかった。そのため、焼付き及び剥離が全く生じず、Ｌ10寿命は１５００時間であった。
比較例１に関しては、固定輪及び回転輪の初期の残留オーステナイト量が高いため、経時的な寸法変化に伴う隙間詰まりにより焼付きが生じ、Ｌ10寿命は３２０時間と短寿命であった。また、比較例２に関しては、固定輪及び回転輪の初期の残留オーステナイト量が低いため、固定輪及び回転輪の経時的な寸法変化は起こらなかったが、転動体の初期の残留オーステナイト量が高いため、隙間詰まりより焼付きが生じ、Ｌ10寿命は２３０時間であった。
【００３５】
以上の耐久性試験の結果をまとめると、初期の残留オーステナイト量の好ましい範囲は、固定輪及び回転輪は８体積％以下で（さらに好ましくは４体積％以下）、転動体は４体積％以下である。また、固定輪及び回転輪を構成する鋼は、表１に示す鋼種Ｂのような高Ｓｉ鋼が好ましい。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、多点接触玉軸受の例として４点接触玉軸受をあげて説明したが、本発明は図２に示すような３点接触玉軸受に対しても適用可能である。図２においては、図１と同一又は相当する部分には、図１と同一の符号を付してある。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の多点接触玉軸受は、電磁クラッチ等に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る多点接触玉軸受の一実施形態である４点接触玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】本発明に係る多点接触玉軸受の別の実施形態である３点接触玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図３】カーエアコンディショナのコンプレッサの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１      内輪（固定輪）
１ａ，１ｂ      軌道面
２      外輪（回転輪）
２ａ，２ｂ      軌道面
３      転動体
【図１】
2005121165.tif 000005
【図２】
2005121165.tif 000006
【図３】
2005121165.tif 000007